超長(zhǎng)地下車庫(kù)結(jié)構(gòu)溫度作用分析

曾 升， 侯建龍

(上海原構(gòu)設(shè)計(jì)咨詢有限公司沈陽(yáng)分公司，沈陽(yáng) 110004)

超長(zhǎng)地下車庫(kù)結(jié)構(gòu)溫度作用分析

曾 升， 侯建龍

(上海原構(gòu)設(shè)計(jì)咨詢有限公司沈陽(yáng)分公司，沈陽(yáng) 110004)

混凝土收縮是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，其最終收縮量與多方面因素有關(guān)。溫差效應(yīng)包括豎向溫差效應(yīng)和水平溫差效應(yīng)。地下車庫(kù)著重考慮的是施工階段的溫差效應(yīng)，為使超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)地下室外墻和頂板混凝土裂縫問(wèn)題得到有效的控制，通過(guò)設(shè)置后澆帶，施工階段注意事項(xiàng)，其他措施；采用MIDAS對(duì)本結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，得出溫度效應(yīng)產(chǎn)生的附加彎矩對(duì)墻、柱配筋產(chǎn)生的影響較小，不起控制作用。

地下車庫(kù)；結(jié)構(gòu)；非荷載；溫度效應(yīng)

0 引言

混凝土收縮是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，其最終收縮量與其材料構(gòu)成、構(gòu)件尺寸、環(huán)境影響以及施工養(yǎng)護(hù)等多方面因素有關(guān)。混凝土的長(zhǎng)期收縮效應(yīng)與結(jié)構(gòu)施工階段的溫差效應(yīng)同時(shí)存在，分析時(shí)將兩種效應(yīng)一起考慮。從宏觀上看，溫差效應(yīng)包括豎向溫差效應(yīng)和水平溫差效應(yīng)。就構(gòu)件而言，季節(jié)變化、太陽(yáng)輻射等造成的溫差可以分為兩類，一類是構(gòu)件自身內(nèi)外表面的溫差，即局部溫差；另一類是構(gòu)件中面的溫差，稱為整體溫差；本文討論的是地下車庫(kù)在施工階段，結(jié)構(gòu)被埋于地下，且有保溫隔熱措施，因而結(jié)構(gòu)外圍構(gòu)件受室外溫度的影響較小，可以認(rèn)為，室內(nèi)、外溫差不會(huì)通過(guò)改變四周構(gòu)件的溫度對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大不利影響，所以著重考慮的是施工階段的溫差效應(yīng)。

1 工程概述

沈陽(yáng)地區(qū)某項(xiàng)目包括住宅樓19棟，其中5棟為11層住宅，13棟為18層住宅，1棟為3層商業(yè)。地下為1一層地下車庫(kù)，其中11棟單體高層在地庫(kù)內(nèi)。本項(xiàng)目地下車庫(kù)為板柱剪力墻結(jié)構(gòu)，頂板為無(wú)梁樓蓋，底板為獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板，頂板厚度為450 mm，底板厚度為400 mm，獨(dú)立基礎(chǔ)截面高度800～900 mm。地下室層高為3.7 m，頂板頂結(jié)構(gòu)標(biāo)高-2.300 m，底板頂結(jié)構(gòu)標(biāo)高為-6.050 m。地庫(kù)平面尺寸為248 m×160 m，總面積約為35 000 m2。平面布置圖(后澆帶位置)見(jiàn)圖1。

圖1 地庫(kù)后澆帶平面布置

本項(xiàng)目平面超長(zhǎng)，X方向平面尺寸約160 m，Y方向平面尺寸約248 m，大于遼標(biāo)《地下混凝土結(jié)構(gòu)防裂技術(shù)規(guī)程》[2]規(guī)定不設(shè)永久變形縫的最大間距180 m，但基于以下原因，按不設(shè)置伸縮縫設(shè)計(jì)：

1)本項(xiàng)目為高檔社區(qū)，業(yè)主極其注重地下車庫(kù)的使用品質(zhì)，要求有足夠數(shù)量的地下車位。

2)因內(nèi)部使用功能的要求，結(jié)構(gòu)不適宜設(shè)置伸縮縫。

3)結(jié)構(gòu)僅一個(gè)方向超出規(guī)程適用范圍較多，且使用階段由于地下室常年溫度變化不大，同時(shí)混凝土收縮在施工階段大部分已完成，再考慮徐變應(yīng)力松弛系數(shù)的有利作用，因此，溫度﹑收縮及徐變的綜合效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不會(huì)很大，其影響通過(guò)在施工圖設(shè)計(jì)階段采用補(bǔ)償收縮混凝土，增設(shè)后澆帶、溫度鋼筋來(lái)抵抗溫度應(yīng)力。

2 沈陽(yáng)地區(qū)的氣象條件

遼寧省沈陽(yáng)市屬溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，由于受大陸性和海洋性氣團(tuán)控制，其特征是冬季漫長(zhǎng)寒冷，春季多風(fēng)干燥，夏季炎熱多雨，秋季濕潤(rùn)涼爽。

3 措施

關(guān)于本項(xiàng)目，我們從“抗”“放”兩方面入手，使超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)地下室外墻板混凝土裂縫問(wèn)題得到了有效的控制，為減少上述非荷載效應(yīng)的影響，采取以下具體措施。

3.1 設(shè)置后澆帶

本工程每40～50 m設(shè)一道混凝土后澆帶，后澆帶設(shè)置可以避開混凝土收縮應(yīng)變高峰期，釋放部分收縮應(yīng)力；同時(shí)施工時(shí)可以選擇合適的時(shí)機(jī)澆筑，使結(jié)構(gòu)的合攏溫度較為合理。后澆帶須至少7個(gè)月之后澆筑；為防止施工階段出現(xiàn)較大負(fù)溫差，在后澆帶澆筑完成之后進(jìn)入冬季之前，覆土須回填完畢。

3.2 施工階段注意事項(xiàng)

1)優(yōu)化砼配合比設(shè)計(jì)：通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)選合適的外加劑和摻和料，適當(dāng)降低水灰比和減少水泥用量，選用水化熱低的礦渣硅酸鹽水泥，選用優(yōu)質(zhì)粉煤灰，砂和石含泥量要小，級(jí)配良好。

2)砼應(yīng)嚴(yán)格振搗密實(shí)，提高砼密實(shí)度。

3)落實(shí)好砼澆筑后的養(yǎng)護(hù)措施，盡量做好保濕保溫養(yǎng)護(hù)。

4)降低室外溫差的影響。夏季施工時(shí)應(yīng)盡量避免在烈日下澆筑樓板砼；降低砼的入模溫度；底板墊層上干鋪油氈作滑動(dòng)層；地下室四周土要及時(shí)回填，且應(yīng)分層夯實(shí)，既加強(qiáng)地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，又可盡快避免室外溫度變化對(duì)側(cè)壁的影響。

5)施工順序：溫度后澆帶合攏后，及時(shí)進(jìn)行覆土回填，合攏溫度為10℃左右。

3.3 其他措施

本工程采用建筑外防水柔性材料，混凝土裂縫寬度可控制在0.3 mm以內(nèi)。地下室頂板采用無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)，頂板厚度為450 mm?；A(chǔ)為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)+防水底板，防水底板厚度為400 mm，雙層雙向配筋三級(jí)鋼14，間距150，單面配筋率約0.23%。墻體厚300 mm，單面水平鋼筋配筋率≥0.2%，在墻體高度的水平中線上下共500 mm范圍內(nèi)，水平鋼筋豎向間距加密為100 mm，抗?jié)B等級(jí)均為P6，見(jiàn)圖2。

圖2 擋土墻配筋詳圖

4 模型分析及計(jì)算結(jié)果

本工程采用MIDAS對(duì)本結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)楹鬂矌гO(shè)置合理，所以不單獨(dú)計(jì)算先澆的各區(qū)段，僅進(jìn)行結(jié)構(gòu)連成整體后的計(jì)算，即對(duì)溫度后澆帶合攏至施工階段結(jié)束最不利溫度工況進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。計(jì)算模型對(duì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板、頂板、墻體進(jìn)行了模擬；模型中不考慮側(cè)向土壓力和水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，假定結(jié)構(gòu)嵌固于基礎(chǔ)底板上。

4.1 分析工況

后澆帶合攏施工在2014秋季，10月份平均氣溫為10℃左右，故結(jié)構(gòu)的合攏溫度近似取為10℃。因地下室頂板有2.0 m覆土，且四周有較好的建筑隔熱保溫層，根據(jù)沈陽(yáng)地區(qū)多年氣溫測(cè)定結(jié)果確定本地下室最低月平均氣溫為-5℃，這樣，計(jì)算整體結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)力采用的溫差為-15℃?？紤]混凝土抗拉性能比抗壓性能差以及收縮溫差效應(yīng)的疊加，我們將只取使樓層收縮受拉的負(fù)溫差進(jìn)行分析。

頂板與外墻的在施工階段的總溫差為-15℃。上述各溫差均由緩慢的溫度變化產(chǎn)生，通過(guò)對(duì)變形的約束使構(gòu)件受力，可以考慮混凝土的徐變應(yīng)力松弛特性。作為簡(jiǎn)化計(jì)算，松弛系數(shù)根據(jù)有關(guān)參考文獻(xiàn)的建議，取為0.3，計(jì)算時(shí)，將混凝土彈性計(jì)算的溫差乘以松弛系數(shù)，所得溫差數(shù)值作為程序計(jì)算輸入溫差，即15℃×0.3=4.5℃。程序計(jì)算中輸入溫度效應(yīng)組合系數(shù)0.6和分項(xiàng)系數(shù)1.4，為考慮了地下車庫(kù)整體共同作用，輸入地基土的x與y向基床系數(shù)為5×104kN/m3，計(jì)算出的應(yīng)力及內(nèi)力作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

4.2 豎向構(gòu)件內(nèi)力分析

4.2.1 外墻分析

根據(jù)MIDAS溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)整個(gè)地庫(kù)外墻切出了6個(gè)典型區(qū)域，分別算出了典型區(qū)域的應(yīng)力和內(nèi)力(均取較大值)，其中內(nèi)力較大的為墻體平面外彎矩，應(yīng)力較大為沿墻體方向應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果分析：

平面外方向：溫度作用下外墻附加彎矩：底部(最大)28.1 kN·m，頂部(最大)22.1 kN·m；取恒荷載+活荷載+溫度效應(yīng)共同作用下的外墻配筋(三級(jí)鋼)結(jié)果如下：底部As=974 mm2，頂部As=787 mm2。取恒荷載+活荷載+水壓力共同作用下的外墻彎矩設(shè)計(jì)值：底部(最大)83 kN·m，頂部(最大)64 kN·m。外墻實(shí)配鋼筋(三級(jí)鋼)結(jié)果：底部As=1 026 mm2(φ14@150滿足承載力和裂縫要求)頂部As=1 026 mm2(φ14@150滿足承載力和裂縫要求)。

平面內(nèi)長(zhǎng)度方向：外墻高度中間范圍的溫度作用下收縮應(yīng)力范圍：0.8～1.3 MPa。按1.3 MPa考慮，計(jì)算配筋率為1.3/360/2=0.18%(單側(cè))，現(xiàn)構(gòu)造配筋為三級(jí)鋼φ12@150，配筋率為754/300/ 1 000=0.251%(單側(cè))經(jīng)過(guò)計(jì)算結(jié)果，原墻體配筋滿足要求，故不需要另外增加配筋。

4.2.2 框架柱分析

根據(jù)MIDAS溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，柱最大附加彎矩Mx=155 kN·m，My=72 kN·m，N=4 843 kN。按雙向偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，僅考慮恒荷載、活荷載、溫差效應(yīng)作用組合，則該柱全截面配筋面積為2 409 mm2，配筋見(jiàn)圖3。

若考慮恒荷載、活荷載、地震效應(yīng)作用組合，框架柱配筋圖見(jiàn)圖4。

圖3 框架柱配筋詳圖

圖4 框架柱配筋詳圖

故按考慮恒荷載、活荷載、地震效應(yīng)作用組合的配筋結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2.3 頂板內(nèi)力分析

根據(jù)MIDAS溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)整個(gè)地庫(kù)頂板切出了8個(gè)典型區(qū)域(如圖5)。

4.2.3.1 計(jì)算結(jié)果分析

Y方向的收縮應(yīng)力范圍：0.5～1.2 MPa，X方向的收縮應(yīng)力范圍：0.1～1.1 MPa。

4.2.3.2 分部規(guī)律

3、4、5區(qū)域位于地庫(kù)中部，兩個(gè)方向收縮應(yīng)力極值較接近，均為1.0～1.2 MPa。1、2、6、7、8區(qū)域分別位于地庫(kù)的各個(gè)邊緣處，Y向應(yīng)力較大。

4.2.3.3 規(guī)律總結(jié)

應(yīng)力分布較大值基本分布在地庫(kù)中部區(qū)域內(nèi)，單體周圍有一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖6 無(wú)梁樓蓋貫通鋼筋配筋示意圖

4.2.3.4 加強(qiáng)措施

各區(qū)域溫度效應(yīng)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力基本接近1.1 MPa，故按1.1 MPa配置鋼筋，配筋率為：1.1/360/2=0.153%(單側(cè))。

取恒荷載、活荷載共同作用下(控制裂縫寬度0.3 mm)的配筋值與抵抗溫度收縮應(yīng)力鋼筋值疊加，配筋結(jié)果如圖6。

原設(shè)計(jì)圖紙中的配筋結(jié)果如圖7。

圖7 無(wú)梁樓蓋貫通鋼筋配筋示意圖

綜上所述，考慮抵抗溫度收縮應(yīng)力的配筋結(jié)果與原設(shè)計(jì)圖紙中的配筋結(jié)果相比，僅增加少量鋼筋，我們認(rèn)為該結(jié)果是安全合理的。

5 結(jié)語(yǔ)

溫度效應(yīng)產(chǎn)生的附加彎矩對(duì)墻、柱配筋產(chǎn)生的影響較小，不起控制作用。故墻柱可按恒荷載+活荷載+地震效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。而溫度效應(yīng)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力對(duì)頂板配筋影響較大，故需根據(jù)溫度效應(yīng)計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行有針對(duì)性的配筋，通過(guò)調(diào)整頂板配筋方式，既滿足安全性設(shè)計(jì)要求，又可以滿足經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)要求。

綜述，此工程應(yīng)采用有效的計(jì)算措施、構(gòu)造措施和施工措施，以保證地下車庫(kù)擁有較好的抵抗溫度效應(yīng)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力的能力。

[1]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1997.

[2]DB21/T1745—2009,地下混凝土結(jié)構(gòu)防裂技術(shù)規(guī)程[S].

[3]GB50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]GB50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

TU354

C

1673-1093(2014)04-0063-04

曾升(1978)，男，河海大學(xué)，總工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師。

10.3969/j.issn.1673-1093.2014.04.015

2014-01-18；

2014-02-21